具有能量交换站的轨道系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有能量交换站的轨道系统（10）。该轨道系统具有包括电动部分（18）和非电动部分（20）的轨道（12）。该轨道系统还可具有沿轨道的电动部分延伸的电触头（24）。该轨道系统还可具有电连接至电触头的能量交换站（22）。该能量交换站可被配置为在轨道车辆位于轨道的电动部分时，通过电触头在能量交换站和轨道车辆之间启动电力传输。该能量交换站还可被配置为在轨道车辆离开轨道的电动部分时，在能量交换站和轨道车辆之间停止电力传输。能量交换站的合理地配置能够使机车之间的能量共享，降低了对其他电力源的能量的需求。
【专利说明】具有能量交换站的轨道系统
【技术领域】
[0001]本实用新型针对轨道系统，更具体地针对具有能量交换站的轨道系统。
【背景技术】
[0002]轨道系统包括移动穿过各个互连的区域以输送人和货物的机车和其他车辆。车辆通过独立的电力源进行驱动，如提供机械能来驱动列车的内燃机。具有内燃机的机车产生按需型电力以满足列车的不同负载需求。然而，用于这些发动机的燃料(例如柴油机燃料)价格昂贵并且经常作为燃烧副产品产生对环境有害的废气。
[0003]电动机车提供了内燃机的替代性选择。在2012年10月3日公布的欧洲专利文件EP 2505416 Al (简称“’ 416专利”)中描述了示例性的电轨道系统。’ 416专利的轨道系统包括由全球基础设施来供电的车辆，该全球基础设施由架空电力线路组成。控制系统对移动中的车辆的速度和负载信息进行监测并且提供提高或降低特定车辆速度的指示以通过实际上供应的电能的量来平衡供电系统上的总负载。
[0004]尽管’416专利的轨道系统可提供发动机驱动系统的替代性选择，但它可能受困于一些缺陷。例如，’416专利中公开的轨道系统依靠大型基础设施来为车辆提供电能。这包括对沿轨道系统的整个长度运行的架空线路的安装和维护，会是非常昂贵的。
[0005]一般来讲，由于电动车辆需要大型基础设施来为整个轨道提供电力源(例如，架空线路)，因此与电轨道系统相关联的集资费用往往过多。此外，提供至车辆的电能通常源自常规的电力源(例如，发电厂)，该常规电力源也可能对环境不利。因此，针对克服这些问题的替代性轨道系统存在需求。
【发明内容】
[0006]本实用新型提供一种具有能量交换站的轨道系统，针对克服以上提出的一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。
[0007]技术方案是，具有能量交换站的轨道系统，包括:
[0008]轨道，包括电动部分和非电动部分；
[0009]电触头，沿所述轨道的所述电动部分延伸；
[0010]能量交换站，电连接至所述电触头，
[0011]其中所述能量交换站被配置为:
[0012]当轨道车辆位于所述轨道的所述电动部分时，通过所述电触头在所述能量
[0013]交换站和所述轨道车辆之间启动电力传输；以及
[0014]当所述轨道车辆离开所述轨道的所述电动部分时，在所述能量交换站和所
[0015]述轨道车辆之间停止电力传输。
[0016]所述能量交换站包括电力源，所述电力源被配置为产生用于供应至所述电触头的电能。
[0017]所述能量交换站还包括电连接至所述电力源和所述电触头的储能装置，所述储能装置被配置为对电能进行存储。
[0018]所述能量交换站包括电连接至所述电触头的储能装置，其中所述储能装置被配置为:
[0019]将电能传输至所述电触头；以及
[0020]接收来自所述电触头的电能。
[0021]进一步包括:与所述能量交换站相连通的控制器，其中所述控制器被配置为:
[0022]对所述轨道上的轨道车辆的能量状态进行测定；
[0023]基于所述轨道车辆的能量状态对所述电力传输的传输路径进行测定。
[0024]所述轨道的所述非电动部分的长度大于该轨道的所述电动部分的长度。
[0025]在一个方面，本实用新型针对一种轨道系统。该轨道系统可包括电动部分和非电动部分。该轨道系统还可包括沿轨道的电动部分延伸的电触头。该轨道系统可进一步包括电连接至所述电触头的能量交换站。当轨道车辆位于轨道的电动部分时，该能量交换站可被配置为通过电触头在能量交换站和轨道车辆之间启动电力传输。当轨道车辆离开轨道的电动部分时，该能量交换站还可被配置为在能量交换站和轨道车辆之间停止电力传输。
[0026]在另一方面，本实用新型针对一种对轨道系统进行操作的方法。该方法可包括:当轨道车辆行驶在轨道的电动部分时，将电触头连接至轨道车辆。该方法还可包括:当轨道车辆行驶在轨道的电动部分时，通过电触头在能量交换站和轨道车辆之间启动电力传输。该方法可进一步包括:当轨道车辆离开轨道的电动部分时，在能量交换站和轨道车辆之间停止电力传输并从轨道车辆断开电触头。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1描述了示例性的所公开的轨道系统的示意图；以及
[0028]图2描述了可与图1中的轨道系统结合使用的示例性的车辆、能量交换站和控制系统。
【具体实施方式】
[0029]图1示意性地描述了与某些所公开的实施例相一致的示例性的轨道系统10。轨道系统10可包括承载各种车辆14的轨道12的网络。轨道12可为车辆14可在其上行驶的任何类型的运输路径，如铁路轨道、地铁轨道、有轨电车轨道等等。轨道12可为互连的或独立的，使得一些车辆14仅在一些轨道12上行驶并且其他车辆14仅在其他轨道12上行驶。每个车辆14可为能够在轨道12上行驶的任何类型的车辆。例如，车辆14可为诸如机车、轨道车(如，货运和/或客运轨道车)、地铁车辆、有轨电车等轨道车辆。车辆14可被排入编组顺序表(如列车)或独立运行。
[0030]在示例性实施例中，每个车辆14可包括电动机车16。机车16可被设置为主要通过电力系统运行，但可包括诸如柴油机之类的机械能源，在电力系统出现故障或不适用的情况下作为备用电力系统。在其他实施例中，机车16可在电能和机械能相结合的系统上运行(例如，柴油电机车)。机车16可被配置为例如通过牵引电机(图1中未示出)，将电能转换为机械能以产生沿轨道12移动车辆14的牵引力。
[0031]轨道系统10可被设置为提供电能至用于在轨道12上行驶的机车16。在图1中所描述的不例性轨道系统10中，轨道12可包括多个电动部分18和多个非电动部分20。每个电动部分18可被配置为提供电能至电动部分18中的机车16，以直接和/或最终用于驱动轨道12上的机车16。在非电动部分20中行驶的机车16可需要依靠车载电力源或存储的能量来提供电力以驱动轨道12上相应非电动部分20中的机车16。在一些实施例中，非电动部分20的长度可远大于电动部分18的长度。换言之,与非电动部分20相比，电动部分18可仅形成轨道12的相对较短部分。例如，给定的电动部分18可仅为几英里长，而非电动部分20可为数百英里长乃至更长。
[0032]电动部分18可被配置为经由位于轨道12附近不同位置处的一个或多个能量交换站22提供电能至机车16。每个能量交换站22可包括位于相应的电动部分18中接近轨道12的部分的电触头24。电触头24可为非车载装置，被配置为传送至另一接触装置和/或从另一接触装置接收电能。例如，电触头24可为电气化轨道26 (如，第三轨)、架空电力线路28 (如，悬链)或被配置为充当机车16可连接到的电能源的其他装置。电触头24可仅沿轨道12的相关的电动部分18延伸。能量交换站22可包括被配置为提供电能至电触头24的各种部件。这些部件可包括一个或多个储能装置30和/或一个或多个电力源32。
[0033]储能装置30可被设置为存储电能。例如，储能装置30可包括被配置为接收、存储和传送电能的一个或多个可再充电电池。在其他实施例中，储能装置30可包括诸如储氢系统或机械飞轮之类的机械存储系统。电能和机械能结合存储的装置30也是可能的。
[0034]每个电力源32可以是被配置为产生电能(或能够被转换为电能的机械能)以将电能提供至电触头24的任何系统或装置。在示例性实施例中，电力源32可为可再生能源34。可再生能源34可被配置为通过利用一种或多种类型的可再生能源来产生电能。例如，可再生能源34可被配置为利用风能或太阳能(诸如通过风力涡轮机或太阳能电池板)来产生电能。在其他实施例中，可再生能源34可为被配置为通过生物燃料能产生电能的生物燃料发电机。
[0035]可再生能源34可设置在轨道12的相应的电动部分18的附近。在测定用于相应的能量交换站22的可再生能源34的类型中，可考虑电动部分18附近的区域。例如，可将靠近轨道12的大型开放区域用于风电场或太阳能电场。具有靠近轨道12的大片水域的区域可使用氢动力或潮汐能源来提供电能至电动部分18。
[0036]不论可再生能源34是何种类型，产生的电能可传送至轨道附近位置36并且转化为适于存储在储能装置30中和/或在电触头24处直接使用的形式。通过这种方式，即使电能的产生是可变的(例如太阳能、风能等)，也可对来自可再生能源34的电能进行累积和存储以最终使用在储能装置30中。
[0037]还设想到，电力源32可为常规的电能源，如接收来自电力网的电能(例如源自将电能提供至特定区域的发电厂的能量)的变电站38。来自电力网的电能可被转移至轨道附近位置40并且转化为适于存储在储能装置30中和/或在电触头24处直接使用的形式。
[0038]在其他实施例中，能量交换站22可包括未耦接至本地电力源的储能装置30。在这一实施例中，能量交换站22可接收来自所连接的使用再生制动系统(RBS) 54 (仅在图2中示出)的机车16的电能。来自机车16的电能可存储在轨道附近位置41处的储能装置30中并且在需要时传送回同一或另一机车16。在不存储于储能装置30中的情况下，来自使用RBS54的一个机车16的电能还可能被传送至连接到同一电触头24的另一机车16。
[0039]在一些实施例中，能量交换站22可通过全球交换系统42互连。全球交换系统42可允许能量交换站22之间的能量共享。例如，由连接到一个电触头24的机车16的RBS54所产生的电能可传送至一个能量交换站22并且随后通过全球交换系统42提供至另一能量交换站22，以备连接到相关的电触头24的另一机车16存储和/或使用。全球交换系统42可经由直接连接的电力线、大型电力网或本领域所公知的其他类型的电连接对所选择的交换站22进行连接。
[0040]图1进一步描述了能量交换站22的几种示例性配置。例如，能量交换站22可包括能量交换站66、68和70。能量交换站66可包括电触头24、储能装置30和电力源32。电力源32可为可再生能源34。
[0041]能量交换站68可以与能量交换站66相同的方式进行设置，只不过电力源32可诸如通过变电站38连接至电力网。变电站38可传输电能至轨道附近位置40，以存储在储能装置30中。储能装置30随后可将电能传输至经过与能量交换站68相关联的电动部分18的机车16。
[0042]能量交换站70为包括储能装置30的示例性能量交换站22，但不一定包括电力源32。储能装置30可从经过的机车16 (例如经由RBS54)接收足以用于传输回其他机车16的电能。在一些实施例中，能量交换站70可充当电力源。例如，能量交换站70可通过经由全球交换系统42传送电能来充当用于能量交换站68的电力源。
[0043]在一些实施例中，可对电动部分18和相关联的能量交换站22进行策略性地定位以利用轨道12的某些方面。例如，可将能量交换站66安置在列车站附近。通过这种方式，机车16可被配置为诸如在机车16靠近列车站时，合宜地使用RBS54以将电能从机车16传输至能量交换站66。在一个实施例中，减速以停在列车站的机车16可经由RBS54产生电能，并且将该电能传输至储能装置30。储能装置30随后可将电能传送至可能准备出发或正离开列车站的另一机车16。通过这种方式，可在机车16之间合宜地共享能量。应了解，机车16可在不将电能传送至储能装置30的情况下(B卩，经由电触头24直接共享电能)共享电倉泛。
[0044]类似地，可将一些能量交换站22 (例如，能量交换站68和/或70)定位在一坡度(例如，丘陵、山地等)上。减速以经过下坡的机车16可经由RBS54产生能量，该能量用于传输至经过上坡的机车16。
[0045]还可将电动部分18与非电动部分20相关联，科学合理地进行定位。例如，可对电动部分18进行定位，以便机车16可从电动部分18接收到足以有效地通过邻近的非电动部分20的能量。也就是说，电动部分18可被分隔开，以便机车16可以足够能量进行充电，以在不存在耗尽电力或带有供应过剩的能量(可能引起能量交换站22之间的能量不平衡)而到达的风险的情况下，通过下一电动部分18。
[0046]机车16可连接至能量交换站22的电触头24，以通过机车16 (或附接的轨道车)上的电触头44传送电能。电触头44可为车载装置，被配置为在机车16位于轨道12的电动部分18中时选择性地连接至电触头24。例如，电触头44可以是与电气化轨道26 —起使用的充电模座46，与架空电力线28 —起使用的导电弓架(pantograph)48，或者被配置为产生与电触头24的电连接的其他拾取装置。电触头44可被设置为在机车16进入电动部分28时自动连接至电触头24，或可等待来自操作者或控制系统的指令。
[0047]图2描述了连接到轨道系统10的电动部分18的示例性机车16。机车16可包括电力系统50。电力系统50可包括一个或多个电动机,该一个或多个电动机被配置为使用电能来为位于机车16上的牵引装置供电，以对机车16和轨道12上的其他附接的轨道车辆进行驱动。电力系统50可被电连接至电触头44，这样可通过电触头44将电能提供至电力系统50。通过这种方式，来自能量交换站22的能量可被直接传输至电力系统50以驱动机车16。
[0048]除了电力系统50之外，机车16 (或所连接的轨道车)还可包括用于存储车辆14上的车载能量的一个或多个储能装置52。在示例性实施例中，储能装置52可包括被配置为接收、存储并传输电能的一个或多个可再充电电池。在其他实施例中，储能装置52可包括诸如储氢系统或机械飞轮之类的机械存储系统。电能和机械能结合存储的装置52也是可能的。储能装置52可被电连接至电触头44和电力系统50。通过这种方式，储能装置52可通过来自电触头44的能量进行充电并通过电力系统50进行放电以驱动机车16。
[0049]机车16还可包括再生制动系统(RBS)54。RBS54可被配置为通过本领域所公知的方式将在机车16的制动操作期间所产生的机械能转换为电能。RBS54可被连接至一个或多个电触头44、电力系统50和储能装置52。由RBS54所产生的电能可传送至这些部件中的任何部件。例如，由RBS54所产生的电能可传送至用于从机车16转移出来的电触头44，传送至用于驱动机车16的电力系统50，和/或传送至用于增加机车16上车载储能供给的储能装置52。
[0050]如图2中进一步描述的，轨道系统10可包括一个或多个控制系统56，该一个或多个控制系统被配置为对轨道系统10的部件进行电控。机车16和能量交换站22分别可包括控制器58、60。控制系统56还可包括具有控制器64的控制站62。控制器58、60、64可经由无线网络相互连接，使得各控制器相互之间能够进行电通信。在其他实施例中，一个或多个控制器58、60和64可经由有线连接进行连接。
[0051]各个控制器58、60、64均可包括一个或多个计算设备，诸如一个或多个微处理器。例如，各个控制器58、60、64可具体化为能够控制数个机器或发动机运行的通用微处理器。各个控制器58、60、64还可包括运行应用程序所需的所有部件，如计算机可读存储器、辅助存储设备和处理器(如中央处理单元或公知的任何其他工具)。各种其他公知的电路(包括电力源和其他适当的电路系统)可与控制器58、60、64相关联。
[0052]控制站62可为被配置为对轨道10的操作进行监督的全球控制中心。例如，控制站62可包括对机车16、能量交换站22和其他车载和非车载设备进行监测和控制的系统和/或操作者。在其他实施例中，控制站62可为本地控制中心，该本地控制中心被配置为对特定的能量交换站22和经过或附近的机车16的操作进行控制。控制站62可为本领域所公知的总体轨道控制系统的一部分，如精确列车控制系统和/或自动列车控制系统。
[0053]在示例性的公开实施例中，控制系统56可包括对能量交换站22和机车16之间能量共享进行协调的过程和操作。如所描述的，轨道12的每个电动部分18可包括能量交换站22，该能量交换站被配置为经由电触头24和44将能量传输至连接到能量交换站22的机车16并且从该机车16接收能量。控制系统56可执行各种控制过程和操作以测定轨道系统10的部件的能量需求并对可用的能量进行相应地分配。下面对与这些实施例一致的示例性过程进行详细描述。
[0054]工业实用性
[0055]公开的实施例可适用于提供电能来为车辆供电的任何输送系统。公开的轨道系统10可适用于现有的或新的轨道系统。可更改现有的轨道系统或者构建新的轨道系统以包括能量交换站，该能量交换站例如通过允许不同的轨道车辆共享电能可为有益的。此外，能量交换站可被配置为接收来自诸如太阳能、风能和生物质发电机之类的可再生能源的能量，该可再生能源将能量存储在位于能量交换站的储能装置中并且提供这一能量至轨道的电动部分上的机车。通过存储大量的能量在能量交换站中，可在机车移动时对该机车上的储能装置进行快速充电。通过这种方式，为了以足够的电能对其车载储能装置进行再充电以在轨道的非电动部分上行驶，机车无需为静止的并因此无法使用。此外，由于轨道车辆在轨道的非电动部分上行驶时可通过存储的电能来供电，因此非电动部分包含有相对较短的电动部分可减少为轨道系统中的轨道车辆提供电力所需的基础设施。下面对使用所公开的轨道系统10的示例性过程来实现这些优势进行详细描述。
[0056]电力源32可产生电能，用于对轨道系统10中的机车16供电。在一些实施例中，通过到电动部分18中的电触头24的直接连接，可使得来自电力源32的电能直接用于机车16。替代性地或此外，来自电力源32的电能可在传输至电触头24之前存储在储能装置30中。
[0057]例如，电力源32 (可为可再生能源34)可在不同时间产生电能(例如在阳光照耀时经由太阳能)。可将电能累积在储能装置30中，以便使得相对较大量的电能在相关联的能量交换站22是可用的。在机车16通过电动部分18继续在轨道12上行驶时，储能装置30可快速传输电能至机车16以备车载存储或直接使用。
[0058]在机车16接近能量交换站22 (例如能量交换站66)时，控制器(例如控制器58、60,64之一)可测定机车16上车载的储能装置30和/或储能装置52的能量状态。能量状态可为储能装置30和/或52的当前的储能量。基于所测定的能量状态，控制器可对传输路径进行测定。例如，传输路径可从能量交换站22到机车16或者从机车16到能量交换站22。在其他实施例中，传输路径可从一个机车16到另一机车16。
[0059]在一个示例性过程中，控制器58可测定储能装置52需要额外的电能来为机车16供电，以完成到特定目的地的行程。例如，控制器58可测定机车16需要从能量交换站66获得阈值量的电能，以拥有足够的能量以随后为通过当前的电动部分18之后的非电动部分20的机车16进行供电。基于此，控制器58可测定传输路径应为通过电触头26和46从能量交换站66的储能装置30到机车16上的储能装置52。例如，电力源32可产生存储在轨道附近位置36处的储能装置30中的电能。随后，该电能经由传输路径传输至储能装置52。在其他实施例中，传输路径可包括电力源32，该电力源直接传输电能至储能装置52，而不将电能存储在储能装置30中。
[0060]在机车16进入与能量交换站66相关联的电动部分18时，电触头44可被电连接至电触头24 (例如充电模座46)并且可启动经由传输路径的电力传输。电力传输可延续直至机车16离开电动部分18并且进入下一非电动部分20或达到阈值电力传输。接着，机车16可通过从能量交换站66接收到的电能在非电动部分20上行驶。
[0061]在其他情况下，控制器60(或位于控制站62的控制器64)可测定储能装置30需要额外的电能并且在机车16通过电动部分18时，安排该机车传输电能至能量交换站22 (例如能量交换站70)。在这一实例中，控制器60可测定传输路径应经由电触头28和48从机车16上车载的RBS54到能量交换站70的储能装置30。在其他实施例中，传输路径可包括储能装置52，该储能装置可接收RBS54所产生的电能并且在需要时非车载地将其传输至储能装置30。在机车16进入与能量交换站70相关联的电动部分18时，可启动经由传输路径的电力传输。
[0062]在传输期间，可由机车16上车载的RBS54产生电能。例如，与能量交换站70相关联的电动部分18可为下坡轨道12。在机车16制动以保持速度或减速时，机车16可在轨道12上向下行驶并且通过RBS54产生电能。如控制器60所测定的，在机车16通过电动部分18时，从RBS54到能量交换站70的电力传输可延续。通过这种方式，机车16可充当对储能装置30进行充电的电力源。当机车16离开电动部分18或达到阈值电力传输时，电力传输可停止。随后，诸如控制器60之类的控制器可指示储能装置30将接收到的电能传输至另一机车16、另一能量交换站(例如经由全球交换系统42的能量交换站68)或其他电能目的地。
[0063]能量交换站22可以任何方式配置并安排在轨道系统10内，以例如通过上述的示例性过程允许电能的产生、存储和/或消耗。应了解，能量交换站66、68、70的配置仅为示例性的并且轨道系统10中的能量交换站22的其他配置也是可能的。
[0064]示例性的公开实施例提供了轨道系统10，该轨道系统克服了与其他电轨道系统相关联的问题。电动部分18和非电动部分20的使用允许降低成本的相对小型的基础设施。此外，能量交换站22的设置允许可再生能源34形式的电力源32用于对机车16进行供电。可对来自电力源32的电能(特别是在可再生能源34的情况下)进行累积，以便使得相对较大量的电能在能量交换站22是可用的。通过这种方式，机车16在轨道12上行驶时，可快速接收电能。通过这种方式，机车可在无需停下来充电并且无需长时间停止运行的情况下，接收足以在非电动部分20上行驶的能量。此外，能量交换站22的合理配置可允许机车16之间的能量共享，降低了对来自其他电力源的能量的需求。
[0065]对本领域技术人员来说，能够在不脱离本实用新型范围的情况下对本实用新型的轨道系统做出各种修改和变型是显而易见的。从对本文所公开的说明书和实施例实践的考虑中，其他实施例对本领域技术人员来说是显而易见的。本文旨在仅将说明书和实例视为示例性的，而本实用新型的保护范围由的权利要求书所确定。
【权利要求】
1.具有能量交换站的轨道系统(10)，其特征在于包括: 轨道(12)，包括电动部分(18)和非电动部分(20)； 电触头(24)，沿所述轨道(12)的所述电动部分(18)延伸； 能量交换站(22)，电连接至所述电触头(24)， 其中所述能量交换站(22)被配置为: 当轨道车辆(14)位于所述轨道(12)的所述电动部分(18)时，通过所 述电触头(24)在所述能量交换站(22)和所述轨道车辆(14)之间启动电力传输；以及 当所述轨道车辆(14)离开所述轨道(12)的所述电动部分(18)时，在 所述能量交换站(22)和所述轨道车辆(14)之间停止电力传输。
2.如权利要求1所述的具有能量交换站的轨道系统(10)，其特征在于，所述能量交换站(22)包括电力源(32)，所述电力源(32)被配置为产生用于供应至所述电触头(24)的电倉泛。
3.如权利要求2所述的具有能量交换站的轨道系统(10)，其特征在于，所述能量交换站(22 )还包括电连接至所述电力源(32 )和电触头的储能装置(30 )，所述储能装置(30 )被配置为对电能进行存储。
4.如权利要求1所述的具有能量交换站的轨道系统(10)，其特征在于，所述能量交换站(22 )包括电连接至电触头的储能装置(30 )，其中所述储能装置(30 )被配置为: 将电能传输至所述电触头(24);以及 接收来自所述电触头(24)的电能。
5.如权利要求1所述的具有能量交换站的轨道系统(10)，其特征在于，进一步包括--与能量交换站相连通的控制器，其中，控制器(58)被配置为: 对所述轨道(12)上的轨道车辆的能量状态进行测定； 基于所述轨道(12)车辆的能量状态对所述电力传输的传输路径进行测定。
6.如权利要求1所述的具有能量交换站的轨道系统(10)，其特征在于，所述轨道(12)的所述非电动部分(20)的长度大于该轨道的所述电动部分(18)的长度。
【文档编号】B60M3/00GK203937528SQ201420370733
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2013年7月29日
【发明者】H·S·兰巴 申请人:易安迪机车公司